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海外工程十五年之九十七——美标钢结构设计概述(6)

《美国建筑钢结构设计规范》最新版本为 ANSI/AISC 360-16,英文名字为Specification for Structural Steel Buildings。360-10版国内已经有翻译版发行。为使大家更好的理解360-16版本,特别翻译其关键章节,不妥之处,敬请读者提出宝贵意见。本文为第B章的条文说明重点翻译。


B3.设计基础

如本规范所述:“设计应基于以下原则:当结构承受来自所有适当荷载组合的荷载时,不得超过承载能力极限状态以及正常使用极限状态。”

极限状态是指结构系统或构件不适合其预期用途(正常使用极限状态)或已达到其极限承载能力(强度极限状态)的状态。极限状态可能由功能要求决定,如最大挠度或侧移;它们可能与结构性能有关,如塑性铰或机构的形成;或者它们可能代表整个或部分结构的倒塌,例如不稳定或断裂。本规范中的设计规定通过规定与设计假设一致的荷载系数、抗力或安全系数、标准荷载和标准强度的组合,确保超过极限状态的概率可以接受。

两种极限状态适用于结构:(a)承载能力极限状态,它定义了在结构预期寿命期间针对局部或整体失效条件的安全性;正常使用极限状态,定义功能要求。本规范与其他结构设计规范一样,主要侧重于承载能力极限状态,因为对公共安全的首要考虑。这并不意味着正常使用的极限状态(见第1章)对设计师不重要,设计师必须提供设计的功能性能和经济性。可维护性考虑允许设计师更多地进行判断。

荷载和抗力系数设计(LRFD)和容许应力设计(ASD)是满足承载能力极限状态的不同方法。它们在本规范中同样可以接受,但它们的规定不能互换。不加选择地结合使用这两种方法可能会导致不可预知的性能或不安全的设计。因此,LRFDASD方法被指定为替代方法。在某些情况下,这两种方法可用于结构系统的设计、修改或翻新,而不会产生冲突,例如在评估竣工条件后,对旧建筑的结构楼板系统进行修改。各构件的承载能力极限状态各不相同,一个给定的构件可能存在多个极限状态。最常见的承载能力极限状态是屈服、屈曲和断裂。最常见的正常使用极限状态包括变形或侧移以及振动。

1.LRFD法承载能力极限状态设计

LRFD的承载能力极限状态设计按式B3-1进行。式B3-1的左侧Ru表示根据ASCE/SEI 72.3节(或其等效物)(ASCE2016)规定的荷载组合通过结构分析计算的设计效应,而右侧,φRn,表示构件或构件提供的极限结构抗力或设计强度。抗力系数,φ, 在本规范中等于或小于1.00。当与标准强度Rn比较时,根据第D章至第K章中给出的方法计算,φ 小于1.00说明了理论近似值以及构件和框架的力学性能和尺寸变化。对于极限状态φ = 1.00,当与无需减少的实际强度相比时,标准强度被认为是足够保守的。

LRFD规定基于(1)荷载和阻力的概率模型,(2)根据1978年版ASD规范(AISC1978)对LRFD规定进行校准,以及(3)通过判断和过去的经验,以及代表性结构的比较设计办公室研究,对产生的规定进行评估。

LRFD的概率基础中(RavindraGalambos1978Ellingwood等人,1982),荷载效应Q和抗力R被建模为统计独立的随机变量。在图C-B3.1中,QR的相对频率分布被描绘为假设情况的公共图上的单独曲线。只要抗力R大于荷载Q的影响,就存在特定极限状态的安全裕度。因为QR是随机变量,所以R小于Q的概率很小。这种极限状态的概率与图C-B3.1中频率分布的重叠程度有关,这取决于它们的平均值(RmQm)及其离散的位置。

R:抗力;Q荷载效应

C-B3.1 荷载效应的频率分布Q和抗力 R

将得出结构或部件可靠性的比较度量值。参数β表示可靠性指标。将确定β 的式C-B3-2进行扩展,可以得出容纳额外概率信息和更复杂的设计情况。Ellingwood等人(1982)的研究中已经对此进描述,并已用于ASCE/SEI

19789月出版的美国土木工程师协会学报的结构分册( ASCE Vol. 104,  ST9)中,八篇系列文章介绍了对于基本材料特性和对于钢梁、柱、组合梁、板梁、压弯构件及连接部件的统计特性(均值和变异系数)所开展的原创性研究工作,在制定LRFD设计规范条款中得到了应用。在Galambos等人(1982)发表的文献中提出了相应的荷载统计资料。根据这些统计数据,对在不同的荷载组合作用下(/恒,风//恒等),典型构件(梁、柱、压弯构件、结构部件等)的不同承载区域,对包含在1978版《建筑钢结构设计制作和安装规范》( ALSE1978)中的β值进行评估。跟所预料的一样,β值的范围有很大变化。例如,紧凑型的轧制梁(受弯)和受拉构件(屈服)β值从L/D = 0.50时的3. 1下降至L/D=4时的2. 4这种下降是由ASD没计方法中可以预测的恒荷载和变化较大的活荷载采用了相同系数所导致的。对于螺栓连接或焊接连接,β值在4~5之间。

通过指定多个目标β值并选择达到这些目标值的荷载和抗力系数,在ASD法中可靠指标β值的变化,可以在LRFD法中大大降低。规范编制委员采用承受弯曲和拉力作用的、带支撑的紧凑型截面梁在屈服时L/D = 3.0作为校准点,在该点用ASD法的可靠指标β值来校准LRFD法。与该极限状态对应的抗力系数φ0. 90 ,隐含的构件可靠指标β约为2. 6,连接的β约为4. 0。连接的可靠指标β值较大,反映了对连接性状、加工制作的影响以及附加承载力所带来的好处进行模拟的复杂性。其他构件极限状态的可靠指标β可以采用类似方法处理

LRFD规范(AISC198619932000b)先前版本中使用的钢强度数据库主要基于1970年之前进行的研究。结构型材材料特性的一项重要最新研究(Bartlett等人。,2003)反映了过去15年中钢铁生产方法和钢铁材料的变化。这项研究表明,新的钢材料特性φ值是不做保证的。

2.容许应力设计法(ASD)

本规范所提供的A5D法是作为LRFD法的替代力一法,该方法主要是给那些习惯传统的ASD形式中的ASD荷载组合和允许应力的工程师使用。作为LRFD方法和ASD方法基础的结构力学的基本方程是相同的,为了强调这一点,引入了承载力容许值”这一术语。

传统的ASD方法所基于的概念是,在正常使用条件下结构部件中的最大应力不应超过规定的容许应力。荷载效应是根据结构弹性分析确定的,而容许应力是(在屈服、失稳、断裂等情况时的)极限应力除以安全系数。安全系数及所求得的允许应力的大小取决于特定的、起控制作用的极限状态,与该极限状态所对应的设计必须具有一定的安全裕度。对于任何单个构()件,可能有许多必须进行校核的不同允许应力。

在传统的ASD条款中,安全系数是材料和所考虑构()件的函数。它可能受到构件长度、构件性状、荷载来源和预期的加工制造质量等因素的影响。而传统的安全系数仅仅依赖于经验,而且50多年来没有改变。虽然多年来一直按照ASD方法进行结构设计,但从来不知道结构所提供的实际安全度水平。这是传统.ASD方法的主要缺点。Bjorhovde  (1978)给出了有关典型材料性能数据的说明,该文对柱子的安全系数理论值和实际值进行了研究。

采用ASD方法进行承载力设计应根据式(B3-2 )、本规范所给出的ASD方法保证当采用ASD方法和LRFD方法进行结构设计时,其失效的控制模式是相同的。因此,作为LRFD方法和ASD方法的设计基础,两种方法具有相同的承载力标准值。在考虑承载力设计值时,两种方法之间唯一的区别是在用LRFD方法时采用抗力系数φ,而在ASD方法中则采用安全系数,Ω

在确定适合本规范使用的Ω值时,其目的是确保这两种方法具有同样的安个度和可靠度水平。研发了一种将抗力系数和安全系数进行关联的简单方法。如前所述,取活荷载与恒荷载之比为3,用1978ASD规范的可靠指标β值来校准最旱的LRFD规范。因此,当取活荷载/恒荷载之比为3时,通过等同用两种方法所进行的设计,就可以确定φΩ之间的关系。现采用活荷载和恒荷载组合,且L=3D,则得到以下几个关系式:


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作者: ganggouren

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